最近發生的兩件事讓我有了寫這篇文章的念頭。我已經寫過好幾篇有關現場可編程射頻（FPRF）器件的文章，這些器件可以成為幾乎通用的無線器件。我最近剛好在醫院住了兩周，使得我有充裕的時間考慮醫院病房里的無線應用。

　　護士的一個重要任務是每隔1、2或4小時記錄一次血壓、體溫、血氧飽和度和心率。這個任務被稱為監視生命體征。實際操作中它包含了掃描病人的腕帶條碼、將設備連接（如果還沒有連接的話）到病人，然后手工記錄測量結果。

　　在英國我們有國民醫療保健制度（NHS），這個項目覆蓋了整個國家。有關改善NHS效率的技術應用的報紙頭條常常關注一些重要的舉措，比如試圖創建統一的軟件環境。在這種情況下，目標是將較大的綜合性醫院、區域性保健中心、小的社區醫院和家庭醫生辦公室（在英國也稱為普通執業醫師）連接起來。然而，在NHS下有很高的地方自治程度，我住的醫院已經在著手普及電子計算機。不過電腦主要用于記錄藥物的使用，而不是生命體征數據，這些數據仍需要手工錄入紙質病歷。

　　如果每個病人都有生命體征數據需要讀取，比方說一天六次，每次需要花10分鐘，那么這項工作會讓護理人員在每個病人身上每天花費60分鐘的時間，這個結果有點讓我吃驚。而增加簡單的無線鏈路可以快速推動這一過程的自動化。

　　因此我在想，究竟是什么問題阻止了自動化的實現？專用儀器似乎是明顯的一個障礙。有許多主要供應商生產設備，但他們也許對機器聯網不感興趣。安全性是另外一個主因。

　　醫院實際使用的專用機器一般都配備有數據接口連接器，形式是15針的D型RS－232串口。然而在醫院病房的雜亂環境中，每次要將電纜連接到墻上的插座這樣的想法是不切實際的。換句話說，將帶條形碼掃描器的外部無線通信模塊作為“次佳”選項似乎是可行的。

　　實現無線鏈路

　　現代無線系統提供的可靠鏈路可以將醫院設備連接到本地計算機。以Bluetooth Smart為商標的低功耗藍牙（BLE） 就是一個很好的例子，針對特定的醫療應用也有現成的配置規范。低功耗藍牙的第一個主要局限是覆蓋范圍，理論上可以擴展到100米（330英尺），但在大樓中使用時實際上可能只能局限于一個房間內。第二個問題是它使用的頻譜——擁擠的2.4000至2.4835GHz頻段中的干擾風險。

　　然而，要想充分發揮集成的無線系統優勢，要求在更長距離內有足夠的可靠性，以便讀取的任何數據都能直接發送到護理站的中心控制系統中，這涉及到信號穿過幾個中間病房墻體并且仍能在100-150米遠（300至500英尺）的地方檢測到。更低的射頻頻率，比如低于1GHz，可以提供更好的建筑材料穿透性能。基于這樣的理由，美國使用的915MHz ISM頻段、歐洲、中東和非洲（EMEA）使用的433.920MHz和亞洲使用的其它VHF/UHF頻率都可以提供非常卓越的距離性能。

　　最新發布的FPRF器件被認為是解決無線部分問題的理想解決方案。這種芯片（型號是LMS7002M）在從100kHz至3800MHz的擴展范圍內是用戶可編程的，因此很容易覆蓋用戶感興趣的頻率。除了可編程頻率外，用戶還可以實時控制帶寬和增益。

　　芯片采用雙收發器架構，從數字化數據的輸入/輸出直到調制的射頻信號的射頻部分采用的都是低功耗、高性價比的解決方案。數據輸入采用數據比特流的形式表示調制的同步（I）和正交（Q）分量。這些數據流經濾波后轉換為模擬信號，再通過分開的I和Q路徑處理后，與編程過的射頻載頻進行混頻，最后在芯片輸出端提供調制過的射頻信號。

　　接收器的功能是接收無線信號，將它解調為代表數據的I和Q分量的模擬信號。在將信號轉換為數字輸出流之前，接收器會先對信號進行濾波和放大。

　　圖1：RPRF框圖。

　　在所考慮的應用中，無線網絡可以被配置為多種拓撲，但鑒于相對短的循環時間（也就是說每個小時傳送一次），最好選擇隨機訪問機制。最常見的配置被稱為帶碰撞避免的載波偵測多路訪問（CSMA/CA）。在這種情況下，當系統需要發送數據時，它首先會在載波頻率上進行“偵聽”，確保在發送數據包之前載頻是空閑狀態。為了促進這一機制，FPRF器件包含有接收信號強度指示（RSSI）功能，可以檢測無線鏈路上的傳輸信號。如果鏈路已經在使用狀態，器件可以被配置為等待一段預設的時間，然后重試，或使用不同的頻率。

　　為了增強系統的可靠性，中央控制系統可以設計為向生命體征監測儀回送確認信號，信號的回送也可以使用獨立的射頻信道。發送節點等待接收來自護理站接入點的確認數據包，用于指示數據包已被正確地接收、解密并通過了校驗和檢查。

　　發送調制機制有許多方案。最簡單的技術使用每個符號2個比特和正交相移鍵控（QPSK），其中的載波被調制到4個具有單一幅度的不同相位中的一個上。 QPSK支持低數據速率傳送，非常適合信號條件較差的情況。在正交幅度調制（QAM）中，相位被轉移到多個不同角度和幅度中的一個，用于定義星座圖中的不同比特位置，而數據是每個符號最多可攜帶6個比特。QAM提供頻譜使用更高效的調制方案，但只適用于信噪比較好的條件下，在這種應用中是不適合的。

　　然而，最新的傳輸機制被稱為多入多出（MIMO），這是一種復雜的配置結構，使用兩根或多根物理上短距離分開的天線。MIMO技術可以提高頻譜效率，實現可以提高鏈路可靠性的分集增益。MIMO信號的一個關鍵屬性是，它們可以提供魯棒性更強的性能。該技術經過發展可以應對由于衰落和干擾引起的信號劣化，還能在多徑傳輸條件下使用。在多徑傳輸條件下，從建筑物反射回來的信號將在接收端形成失真的信號。LMS7002M是支持MIMO的，可以提供醫療應用要求的可靠性和信號完整性。

　　基帶功能

　　FPRF 受基帶芯片的控制。這個基帶芯片的主要功能是接收來自生命體征設備的數據，給這些數據打上時間戳，然后分組成便于傳輸的以太網數據包。該芯片將對I和Q數據流進行編碼或解碼，然后通過它的JESD207接口加載LMS7002M。它可以通過SPI接口對FPRF進行編程設置發送接收頻率、增益和帶寬。

　　基帶功能一般是使用現場可編程門陣列（FPGA） 實現的，比如適合成本敏感應用的Altera Cyclone V SE。這些FPGA擁有豐富的邏輯、內存和DSP功能以及一個或兩個嵌入式ARM處理器。32位ARM內核提供的內部裝置可以與邏輯矩陣相連，或執行外部代碼。舉例來說，邏輯矩陣、內存和DSP單元可以被配置為執行控制邏輯、分包數據以及為MIMO技術產生調制圖案。這些功能可以根據芯片上的ARM內核的要求進行配置，然后對要求的功能組合進行實例化。

　　片載ARM內核上運行的軟件還能連接條形碼閱讀器，以便識別病人。隨后用來查找和加載該病人唯一的加密密鑰。這個密鑰用于加密待發送的數據，以便提供高度的安全性。內核還可以提供設備智能，對來自生命體征傳感器的數字信號進行計算和轉換。該芯片還能連接前面板控制器和顯示器。

　　這類FPGA是在上電時進行配置的。配置文件一般保存在外部非易失性存儲器（NMV）中（比如閃存），可用于編程邏輯矩陣和ARM內核。ARM可執行代碼一般也存在NMV中，這樣可以幫助用戶用新的條碼和醫院中的相關密鑰文件對NVM進行更新操作。

　　圖2：帶無線鏈路的生命體征監視儀。

　　對醫院有好處

　　使用人工方法讀取和記錄生命體征數據需要護理人員每天在每個病人身上花費約60分鐘的時間。在我作為病人住的病房中，總共有40張床，這意味著這個任務需要每天大約40個護理工時。如果自動化可以節省即便25%的時間，也可以讓護理人員每天騰出10個小時的工作時間，繼而可以直接節省費用。

　　所傳數據的精度和可用性同等重要。很明顯，自動化過程可以避免抄寫讀數的錯誤，從而減少錯誤診斷的可能性。另外，可以方便地以“每個病人”為基礎設置提醒和告警限值，這樣生命體征的任何異常都可以及時地提醒醫生，然后立即采取補救行動。結果還可以直接記錄到電子表格中，數據可以用表格或圖形化的方式顯示。這種方法可以為醫生的日常事務提供幫助，并顯示隨時間變化的結果。

　　在生命體征監視儀永久連接病人的情況下，比如重癥監護室（ICU）中，中央控制器可以在需要時命令設備讀取數據。這種使用模型要求本地智能設備監視無線鏈路上的指令信息。信號加密可確保每個監視儀只響應與本機有關的消息，而忽略其它設備的消息。

　　對設備供應商有好處

　　設備制造商可以給他們的設備增加高性價比的功能，實現與競爭對手產品的差異化。他們可以展示創新帶來的效率提升以及醫院提供的醫療護理標準的提升。另外，機器的任何邊際成本的增加也能很快被護理工時的節省所抵消。

　　設備制造商還能提供完整的系統解決方案，其中包括生命體征監視儀、中心站和報告生成器，從而為他們的客戶帶來真正實用的附加值。

　　總結

　　本文建議的解決方案可以提供值得使用的最新電子創新功能，從而提高處于困境的醫療護理人員的效率。這是一種工作量很大的應用場景，用于收集和核對數據的時間相當長。另外，我敢肯定在醫療設備領域中還有許多其它應用，它們都能從可靠和安全的無線鏈路中受益。你覺得呢？